基于光纤光栅传感器的高超声速飞行器结构损伤诊断技术研究

论文摘要

高超声速飞行器是目前世界上包括美国在内的各国争相发展的一种拥有巨大应用潜力的新型飞行器。目前其发展处于试验研究阶段,美国已研发了包括X-51等一系列高超声速飞行器,其在多次飞行试验中发生了诸多影响飞行试验成功的问题,由于缺乏获取关键信息的手段,这些问题事先难以预见,事后也难于分析;同时可重复使用是高超声速飞行器的一个重要发展方向。因此构建基于结构特性在内的多种信息实时对飞行器进行健康监测的系统是高超声速飞行器飞行试验研究和后续发展的一个关键问题。本文以高超声速飞行器承力与热防护结构为研究对象,对基于光纤光栅FBG传感器的结构损伤诊断技术进行了研究。分析了高超声速飞行器结构构型与功能特性,结构诊断分析方法对结构关键特性数据的要求和结构特性参数获取手段,针对高超声速飞行器特点提出了基于FBG传感器的结构损伤诊断系统框架,明确了该系统应具有集成度高、数据采样速率高、传感器强抗干扰性等关键特性。针对高超声速飞行器常用结构形式,提出了将径向基神经网络与结构的固有频率相结合用于判定梁结构损伤位置及程度的方法。该方法能够较准确地判断出结构的损伤位置,并能评估出切口形式损伤的损伤深度。考虑温度对结构弹性模量的影响,将温度作为调整神经网络输入输出关系的权值,实现了热结构损伤位置的识别。针对高超声速飞行器蒙皮结构开展了基于FBG的结构损伤诊断技术试验研究。分别研究了裸光纤光栅传感器的性能以及损伤对光纤光栅传感器响应的影响。静力学拉伸试验结果表明,对于这种蒙皮结构不同安装形式的裸光纤光栅传感器灵敏度相差较大,且不同的粘接剂会对传感器灵敏度也会造成较大的影响。在被测结构中开微小的不影响结构性能的槽,固定光栅可保证传感器的性能稳定。光纤光栅传感器对蒙皮上添加的损伤孔在加载后出现的应力集中很敏感,与数值模拟结果相符。应力集中区的传感器反射波波形发生了明显变化,因此通过啁啾后的传感器反射波正则化带宽可对损伤的位置进行有效地识别。基于高超声速结构损伤诊断系统的需求,研究了获取损伤诊断所需模态测试数据的FBG测点布局方法,应用模态保证准则对梁结构以及壳片结构的钛合金材料模态测试时传感器测点的选取进行了计算,通过改进算法,避免了初始测点选取时需对矩阵进行QR分解,提高了运算效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究工作的背景及意义
• 1.2 结构健康监控与损伤诊断研究进展
• 1.2.1 基于结构健康监控的损伤诊断研究应用概况
• 1.2.2 结构损伤诊断方法研究现状与进展
• 1.3 光纤传感器在结构健康监测与损伤诊断中的应用
• 1.3.1 光纤光栅传感器的发展与应用概况
• 1.3.2 FBG传感器在SHM中的应用
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 高超声速飞行器结构损伤诊断系统
• 2.1 引言
• 2.2 高超声速飞行器结构组成与健康评估需求
• 2.2.1 热防护结构
• 2.2.2 承力结构
• 2.2.3 结构健康监测与评估需求
• 2.3 光纤光栅传感器测量系统
• 2.3.1 FBG传感器原理及解调方法
• 2.3.2 FBG传感器网络
• 2.3.3 FBG传感器测量系统组成与功能
• 2.4 高超声速飞行器结构损伤诊断系统方案
• 2.4.1 FBG传感器测量系统
• 2.4.2 数据传输与处理
• 2.4.3 损伤识别与健康评估系统
• 2.4.4 关键技术及其发展
• 2.5 小结
• 第三章 基于模态信息的结构损伤诊断方法
• 3.1 引言
• 3.2 径向基函数网络的模型和算法
• 3.2.1 径向基函数网络模型
• 3.2.2 径向基网络的学习算法
• 3.3 基于固有频率的结构损伤识别方法
• 3.3.1 损伤位置判断方法
• 3.3.2 损伤程度判断方法
• 3.3.3 基于径向基神经网络的结构损伤检测方法
• 3.4 基于固有频率的损伤识别方法应用
• 3.4.1 损伤识别方法的验证
• 3.4.2 悬臂梁损伤程度判定
• 3.4.3 考虑温度影响的钛合金平板损伤定位
• 3.5 小结
• 第四章 光纤光栅传感器诊断结构损伤试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 FBG传感器测量壳片结构变形试验
• 4.2.1 FBG传感器测量方法
• 4.2.2 试验系统和设备
• 4.2.3 传感器灵敏度计算方法
• 4.2.4 试验结果与分析
• 4.3 FBG传感器敏载壳片损伤试验
• 4.3.1 载壳片结构损伤有限元分析
• 4.3.2 试验结果与分析
• 4.4 裸光纤融合热防护结构试验
• 4.5 小结
• 第五章 高超声速飞行器结构监测传感器布置方法
• 5.0 引言
• 5.1 传感器位置分布优化算法
• 5.2 梁结构传感器位置布置数值模拟
• 5.2.1 结构的有限元分析
• 5.2.2 测点选取与分析
• 5.3 圆筒结构传感器布置数值模拟
• 5.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果